Forskere opdager to arter af få-elektronbobler i superflydende helium

I en ny undersøgelse, forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har eksperimentelt vist eksistensen af ​​to arter af få elektronbobler (FEB'er) i superfluid helium for første gang. Disse FEB'er kan tjene som en nyttig model til at studere, hvordan elektronernes energitilstande og interaktioner mellem dem i et materiale påvirker dets egenskaber.

Holdet omfattede Neha Yadav, en tidligere ph.d. studerende ved Institut for Fysik, Prosenjit Sen, Lektor ved Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) og Ambarish Ghosh, Professor ved CeNSE. Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

En elektron indsprøjtet i en superflydende form af helium skaber en enkelt elektronboble (SEB) - et hulrum, der er fri for heliumatomer og kun indeholder elektronen. Boblens form afhænger af elektronens energitilstand. For eksempel, boblen er sfærisk, når elektronen er i grundtilstand (1S). Der er også MEB'er - flere elektronbobler, der indeholder tusindvis af elektroner.

FEB'er, på den anden side, er nanometerstore hulrum i flydende helium, der kun indeholder en håndfuld frie elektroner. Nummeret, tilstand og interaktioner mellem frie elektroner dikterer materialernes fysiske og kemiske egenskaber. Studerer FEB'er, derfor, kunne hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan nogle af disse egenskaber opstår, når nogle få elektroner til stede i et materiale interagerer med hinanden. Ifølge forfatterne, forståelse af, hvordan FEB'er dannes, kan også give indsigt i selvsamling af bløde materialer, hvilket kan være vigtigt for udvikling af næste generations kvantematerialer. Imidlertid, videnskabsmænd har kun teoretisk forudsagt eksistensen af ​​FEB'er hidtil. "Vi har nu eksperimentelt observeret FEB'er for første gang og forstået, hvordan de er skabt, " siger Yadav. "Dette er flotte nye objekter med store implikationer, hvis vi kan skabe og fange dem."

Yadav og kolleger studerede stabiliteten af ​​MEB'er ved nanometerstørrelser, da de serendipitalt observerede FEB'er. I første omgang, de var både opstemte og skeptiske. "Det tog et stort antal eksperimenter, før vi blev sikre på, at disse objekter virkelig var FEB'er. Så var det bestemt et enormt spændende øjeblik, " siger Ghosh.

Forskerne påførte først en spændingsimpuls til en wolframspids på overfladen af ​​flydende helium. Derefter genererede de en trykbølge på den ladede overflade ved hjælp af en ultralydstransducer. Dette gjorde det muligt for dem at oprette 8EB'er og 6EB'er, to arter af FEB'er indeholdende henholdsvis otte og seks elektroner. Disse FEB'er viste sig at være stabile i mindst 15 millisekunder (kvanteændringer sker typisk på meget kortere tidsskalaer), hvilket ville gøre det muligt for forskere at fange og studere dem.

"FEB'er danner et interessant system, der har både elektron-elektron-interaktion og elektron-overflade-interaktion, " forklarer Yadav.

Der er flere fænomener, som FEB'er kan hjælpe videnskabsmænd med at tyde, såsom turbulente strømninger i supervæsker og tyktflydende væsker, eller strømmen af ​​varme i superfluid helium. Ligesom hvordan strøm løber uden modstand i superledende materialer ved meget lave temperaturer, superflydende helium leder også varme effektivt ved meget lave temperaturer. Men fejl i systemet, kaldet hvirvler, kan sænke dens varmeledningsevne. Da FEB'er er til stede i kernen af ​​sådanne hvirvler - som forfatterne har fundet i denne undersøgelse - kan de hjælpe med at studere, hvordan hvirvlerne interagerer med hinanden såvel som varme, der strømmer gennem det superflydende helium.

"I den nærmeste fremtid, vi vil gerne vide, om der er andre arter af FEB'er, og forstå de mekanismer, hvorved nogle er mere stabile end andre, " siger Ghosh. "På lang sigt, vi vil gerne bruge disse FEB'er som kvantesimulatorer, som man er nødt til at udvikle nye typer af måleskemaer for."